Các nhà khoa học tại Đại học Konstanz đã phát triển một phương pháp sử dụng tia chớp femto giây để tạo ra các xung điện tử kéo dài khoảng 5 atto giây. Bước đột phá này mang lại độ phân giải thời gian cao hơn sóng ánh sáng, mở đường cho việc quan sát các hiện tượng cực nhanh như phản ứng hạt nhân. Đây cũng là một trong những tín hiệu ngắn nhất từng được các nhà vật lý tạo ra.
Các quá trình phân tử hoặc trạng thái rắn trong tự nhiên đôi khi có thể xảy ra ở thang thời gian ngắn như femto giây (bốn phần tỷ giây) hoặc atto giây (năm phần tỷ giây). Phản ứng hạt nhân thậm chí còn nhanh hơn. Nay các nhà khoa học Maxim Tsarev, Johannes Thurner và Peter Baum thuộc trường Đại học Konstanz đang sử dụng một cơ cấu thử nghiệm mới để thu được các tín hiệu có thời lượng atto giây, tức là một phần tỷ nano giây, mở ra những triển vọng mới trong lĩnh vực hiện tượng cực nhanh.
Ngay cả sóng ánh sáng cũng không thể đạt được độ phân giải thời gian như vậy vì một dao động duy nhất mất quá nhiều thời gian. Điện tử là một phương thuốc vì chúng có thể cải thiện đáng kể độ phân giải thời gian. Trong thiết lập thử nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu Konstanz đã sử dụng một cặp tia sáng femto giây từ tia laser để tạo ra các xung điện tử cực ngắn trong chùm tia không gian tự do. Những phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Vật lý Tự nhiên.
Các nhà khoa học làm điều này như thế nào?
Tương tự như sóng nước, sóng ánh sáng cũng có thể được xếp chồng lên nhau để tạo ra các đỉnh và đáy của sóng dừng hoặc sóng di chuyển. Các nhà vật lý đã chọn góc tới và tần số sao cho các electron cộng hưởng truyền trong chân không với tốc độ bằng một nửa tốc độ ánh sáng trùng với các đỉnh và đáy của sóng ánh sáng truyền với cùng tốc độ. Cái gọi là “động lượng suy nghĩ” đẩy các electron về hướng máng sóng tiếp theo. Do đó, sau một tương tác ngắn, một loạt xung điện tử cực ngắn được tạo ra - đặc biệt là ở giữa chuỗi xung, nơi có điện trường rất mạnh.
Trong thời gian ngắn, các xung điện tử chỉ tồn tại trong khoảng 5 atto giây. Để hiểu quá trình này, các nhà nghiên cứu đã đo sự phân bố vận tốc của các electron sau khi nén. Nhà vật lý Johannes Tourner giải thích: "Tốc độ của xung đầu ra không đồng đều lắm, nhưng có sự phân bố rất rộng, đó là kết quả của sự giảm tốc hoặc gia tốc mạnh của một số electron trong quá trình nén. Hơn nữa: sự phân bố này không trơn tru. Thay vào đó, nó bao gồm hàng nghìn bước vận tốc, vì chỉ có một số nguyên các cặp hạt ánh sáng có thể tương tác với các electron tại một thời điểm."
Ý nghĩa nghiên cứu
Nhà khoa học cho rằng, theo quan điểm cơ học lượng tử, đây là sự chồng chất thời gian (giao thoa) của các electron với chính chúng sau khi trải qua cùng một gia tốc ở các thời điểm khác nhau. Hiệu ứng này có liên quan đến các thí nghiệm cơ học lượng tử - chẳng hạn như sự tương tác của electron với ánh sáng.
Điều đáng chú ý nữa là các sóng điện từ phẳng như chùm ánh sáng nói chung không thể gây ra sự thay đổi vận tốc vĩnh viễn của các electron trong chân không, bởi vì tổng năng lượng và tổng động lượng của các electron có khối lượng lớn và các hạt ánh sáng (photon) có khối lượng nghỉ bằng 0 không thể duy trì không đổi. Tuy nhiên, vấn đề này có thể được giải quyết bằng sự hiện diện đồng thời của hai photon ở dạng sóng chậm hơn tốc độ ánh sáng (hiệu ứng Capizza-Dirac).
Đối với Peter Baum, Giáo sư Vật lý tại Đại học Konstanz và người đứng đầu Nhóm Ánh sáng và Vật chất, những kết quả này rõ ràng vẫn là nghiên cứu cơ bản, nhưng ông nhấn mạnh tiềm năng to lớn cho nghiên cứu trong tương lai: "Nếu một vật liệu bị sốc bởi hai xung ngắn của chúng tôi ở những khoảng thời gian khác nhau, thì xung đầu tiên có thể gây ra những thay đổi và xung thứ hai có thể được sử dụng để quan sát - tương tự như đèn flash của máy ảnh."
Ông tin rằng ưu điểm lớn nhất là không có vật liệu nào tham gia vào nguyên tắc thí nghiệm và mọi thứ đều được tiến hành trong không gian trống. Về nguyên tắc, tia laser có công suất bất kỳ đều có thể được sử dụng để nén mạnh hơn trong tương lai. Baum cho biết: “Kỹ thuật nén hai photon mới của chúng tôi cho phép chúng tôi đi vào các chiều mới của thời gian và thậm chí quay phim các quá trình phản ứng hạt nhân”.